壓彎荷載作用下帶有定位榫盾構隧道管片接縫的力學特性

羅實張君臣晏啟祥林剛羅世培徐才厚

1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031

盾構法以其掘進效率高、地層擾動小等優(yōu)點被廣泛應用于地鐵隧道施工中［1］。盾構隧道管片接頭的存在降低了整體結構剛度，其力學行為較復雜［2-4］，易成為隧道病害的多發(fā)區(qū)域。

眾多學者對管片接頭力學性能進行了試驗和數(shù)值模擬［5-10］，取得豐碩成果。隧道截面超大化、多樣化發(fā)展趨勢對管片接頭性能提出更高要求，國內外已研發(fā)出各種新型接頭及復合管片，部分已投入使用。定位榫是一種用于管片間定位及傳力的結構，安裝定位榫能讓管片拼裝時滿足限位要求，同時減小拼裝產生的錯臺量，但帶有定位榫的接頭在荷載作用下的力學特性尚待研究。為此，本文依托成都軌道交通19號線二期工程，采用有限元軟件ABAQUS建立帶有定位榫的盾構隧道管片接頭三維模型，從混凝土管片應力、接縫位移、螺栓內力、定位榫內力與變形四個方面對管片接頭抗彎力學性能進行分析，為定位榫在隧道工程中的推廣應用提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型及參數(shù)

盾構隧道管片接頭處存在嵌縫材料及密封防水墊圈?？紤]到模型網格劃分及計算收斂的難度，對接頭細部結構進行簡化。

依據(jù)施工資料，單塊標準塊外徑8.3 m，內徑7.5 m，幅寬1.8 m，厚0.4 m?；炷翉姸鹊燃墳镃50，彈性模量為35 GPa，泊松比為0.2，采用彈塑性本構模型?？v向和環(huán)向螺栓尺寸及材料相同，強度等級為8.8級，屈服強度640 MPa，抗拉強度800 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。定位榫單個長91 mm，屈服強度360 MPa，彈性模量14.5 GPa，泊松比0.3。

計算模型由4塊夾持管片（經過切割后的標準塊）、4個縱向螺栓、4個定位榫和2個環(huán)向螺栓組成。計算模型及網格劃分如圖1、圖2所示。模型中出現(xiàn)接觸的區(qū)域均采用面面接觸。

圖1 計算模型尺寸

圖2 計算模型及網格劃分

1.2 荷載工況

邊界約束和荷載見圖3。

圖3 邊界約束及荷載

偏心距10 cm保持不變，分析彎矩對管片接頭各部件的影響。在模型右側面施加水平荷載的同時在模型頂面施加豎向集中荷載，采用分級加載。荷載工況見表1。其中，彎矩為水平荷載與豎向集中荷載對管片縱縫產生的彎矩疊加值。

表1 荷載工況

2 計算結果分析

2.1 管片應力

選取代表性工況的計算結果進行分析。不同彎矩下管片Mises應力云圖見圖4?？芍簭澗?00 MPa時，縱縫處開始出現(xiàn)較大應力，并沿縱向朝前后兩塊管片延伸，應力較大區(qū)域恰好為施加豎向集中荷載的區(qū)域。彎矩300 MPa時，縱縫受壓處混凝土開始小范圍壓潰，該處混凝土應力明顯大于附近，受力較不利，容易發(fā)生破壞。彎矩400 MPa時縱縫受壓處混凝土壓潰區(qū)明顯增大，且壓潰區(qū)開始沿縱向向前后兩塊管片擴展，同時在前后兩塊管片上荷載施加區(qū)域應力逐漸增大。彎矩800 MPa時縱縫附近大面積壓潰，前后兩塊管片上壓潰區(qū)寬度約為縱縫處的3倍。分析原因，中間兩塊管片在荷載作用下會繞螺栓產生一定程度的轉動，然后相互擠壓致使局部壓潰。由于轉動角度受限，縱縫處壓潰區(qū)達到一定寬度后便不再增大。中間管片繞螺栓的轉動在一定程度上減弱了荷載對管片的作用，導致其壓潰區(qū)較小。前后兩塊管片由于兩側受到螺栓的限制，其整體變形較小，在荷載作用下產生的壓潰區(qū)較大。

圖4 不同彎矩下管片Mises應力云圖（單位：Pa）

2.2 管片接縫位移

接頭錯臺量和張開量是反映接頭變形性能的重要參數(shù)，對接頭設計有重要參考價值。不同彎矩下環(huán)縫錯臺量和環(huán)縫、縱縫張開量隨距環(huán)縫中點（環(huán)縫與縱縫的交點）距離變化曲線見圖5。

圖5 不同彎矩下環(huán)縫錯臺量和環(huán)縫、縱縫張開量隨距環(huán)縫中點距離變化曲線

由圖5（a）可知：①距環(huán)縫中點距離小于0.4 m時同一位置錯臺量隨彎矩增大而增大，距環(huán)縫中點距離大于等于0.4 m時同一位置錯臺量隨彎矩增大先增大然后減小。②錯臺量以環(huán)縫中點為中心大致對稱分布，呈倒V形，沿環(huán)縫先緩慢上升，在距環(huán)縫中點約0.33 m處上升速度加快，在環(huán)縫中點處錯臺量達到最大值，然后先快后慢下降。分析原因：與前后兩塊管片相比，中間兩塊管片由于縱縫的存在削弱了管片剛度，相同荷載作用下中間管片在縱縫附近更容易發(fā)生變形，導致距環(huán)縫中點越近，管片的錯臺量越大。

由圖5（b）可知：①環(huán)縫上同一位置張開量隨彎矩增大而增大。②張開量以環(huán)縫中點為中心大致對稱分布，呈倒U形。距環(huán)縫中點距離大于0.6 m時受螺栓限制張開量較小，受距離影響不大。距環(huán)縫中點距離小于等于0.6 m時張開量隨距離減小而增大，環(huán)縫中點處張開量最大。環(huán)縫張開量整體上較錯臺量小，但整體變化趨勢與錯臺量類似，需在環(huán)縫中點加強防水。

由圖5（c）可知：縱縫上同一位置張開量隨彎矩增大而增大，張開量以縱縫中點為中心大致對稱分布，呈W形。分析其原因：沿縱縫有2個環(huán)向螺栓，在螺栓的約束作用下縱縫張開量在環(huán)向螺栓處較其他位置??；彎矩越大，螺栓的約束作用越明顯，張開量曲線越不平整。

2.3 環(huán)向螺栓內力

不同彎矩下環(huán)向螺栓內力隨截面角度變化曲線見圖6?？芍孩俨煌瑥澗叵侣菟ㄝS力變化規(guī)律大致相同，軸力以螺栓0°截面為中心對稱分布，螺栓0°截面處軸力最大。這是因為在彎矩作用下管片接縫向下張開，螺栓受到拉伸向上彎曲，0°截面處受拉最嚴重，故該處軸力較兩端大。②0°截面處剪力最小，這是因為管片在此處張開，螺栓中部懸空剪力較小，而懸空部分的兩端受管片剪切作用產生較大的剪力，故在螺栓中部剪力呈中間小兩邊大分布。③整體上看，螺栓同一截面處的軸力和剪力均隨彎矩增大而增大，彎矩在100~300 kN·m時軸力和剪力隨彎矩增大而快速增長，彎矩大于等于300 kN·m時軸力和剪力增速變緩。

圖6 不同彎矩下環(huán)向螺栓內力隨截面角度變化曲線

2.4 縱向螺栓內力

不同彎矩下縱向螺栓軸力隨截面角度變化曲線見圖7?？芍孩傧嗤瑥澗叵略诮孛娼嵌葹?7.5°~7.5°之外區(qū)域螺栓處于受拉狀態(tài)，軸力隨彎矩增大而增大。②相同彎矩下在截面角度為-7.5°~7.5°時螺栓軸力小于其他截面。彎矩為200~300 kN·m時，1號螺栓在截面角度-7.5°~7.5°區(qū)域處于受壓狀態(tài)，彎矩大于300 kN·m時該區(qū)域處于受拉狀態(tài)。③彎矩為0~600 kN·m時，2號螺栓在-7.5°~7.5°區(qū)域處于受壓狀態(tài)，彎矩大于600 kN·m時該區(qū)域處于受拉狀態(tài)。定位榫覆蓋范圍恰為-7.5°~7.5°區(qū)域，說明定位榫對該區(qū)域螺栓受力產生了影響。

圖7 不同彎矩下縱向螺栓軸力隨截面角度變化曲線

不同彎矩下縱向螺栓剪力隨截面角度變化曲線見圖8?？芍孩傧嗤瑥澗叵陆孛娼嵌葹?7.5°~7.5°時螺栓剪力與其他截面明顯不同，該區(qū)域螺栓恰好處在定位榫的覆蓋下，定位榫受到外荷載作用產生變形，擠壓螺栓致使其受力形態(tài)發(fā)生改變。②截面角度為-7.5°~7.5°區(qū)域，彎矩在0~300 kN·m時1號螺栓剪力隨彎矩增大而增大，彎矩大于300 kN·m時1號螺栓在該區(qū)域的剪力隨彎矩增大而減?。欢?號螺栓在此區(qū)域剪力隨彎矩增大而增大。

采用單因素變量法考察了稱樣量對測定的影響。分別選用稱樣量為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0g進行試驗，結果見表3。由表3可見：當稱樣量不大于1.0g時，測定結果的相對標準偏差(RSD)較大，這可能是因為稱樣量太小，樣品代表性較差；當稱樣量大于1.0g時，測量結果的RSD較小?？紤]到稱樣量大于3.0g時，消耗的硝酸-酒石酸混酸和滴定液體積會相應增多，最終實驗選擇稱樣量為2.0g。

圖8 不同彎矩下縱向螺栓剪力隨截面角度變化曲線

2.5 定位榫內力及變形量

不同彎矩下定位榫內力隨截面角度變化曲線見圖9。

圖9 不同彎矩下定位榫內力隨截面角度變化曲線

由圖7、圖9（a）和圖9（b）可知：①定位榫軸力較螺栓小，定位榫主要是傳力而非承載。受邊界條件影響，兩個定位榫軸力變化規(guī)律不同。②相同彎矩下1號定位榫軸力以0°截面為中心大致對稱分布，整體數(shù)值變化較小。彎矩為0~300 kN·m時1號定位榫同一截面處軸力隨彎矩增大而增大；彎矩為300~600 kN·m時軸力隨彎矩增大而減??；彎矩大于600 kN·m時定位榫由受壓轉為受拉，且軸力隨彎矩增大而增大。③2號定位榫在整個加載過程中一直處于受壓狀態(tài)。彎矩為0~400 kN·m時軸力較小，彎矩變化對定位榫各截面的軸力影響不大；彎矩大于400 kN·m，截面角度為-7.5°~-3.7°時定位榫軸力隨彎矩增大快速增大。

由圖8、圖9（c）和圖9（d）可知：①定位榫剪力較螺栓小。②相同彎矩下定位榫在0°截面處剪力最大，距定位榫0°截面越遠剪力越小。③1號定位榫同一截面處隨彎矩增大剪力先增大后減小再增大，彎矩為300 kN·m時剪力最大。④彎矩為0~600 kN·m時，2號定位榫各截面剪力較小，受彎矩影響不大；彎矩大于600 kN·m時剪力整體上隨彎矩增大而快速增大，0°截面處剪力增速較其他截面處快，剪力曲線呈倒V形。因此在設計定位榫時須對中部最不利截面進行強化處理，提高材料強度。

不同彎矩下定位榫的變形見圖10?？芍?，從整體上來看，定位榫靠近荷載一側變形大于另一側。不同彎矩下同一定位榫的變形規(guī)律基本一致。彎矩越大變形越大。受邊界條件及安裝位置影響，相同彎矩下，1號定位榫在90°處變形最大，在270°處變形最小，2號定位榫在230°處變形最大，在50°處變形最小；2號定位榫變形較1號定位榫大。定位榫不同角度變形之間的關系基本不受彎矩變化影響。

圖10 不同彎矩下定位榫變形

3 結論

采用有限元分析軟件ABAQUS建立帶有定位榫的三維盾構隧道管片接頭模型，對不同彎矩下混凝土管片應力、接縫錯臺量和張開量、螺栓內力、定位榫內力和變形進行分析。得到以下主要結論：

1）荷載作用下縱縫受壓區(qū)混凝土處于較不利受力狀態(tài)，隨彎矩增大縱縫受壓區(qū)出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象且壓潰范圍逐步擴大，沿縱縫向前后兩塊管片延伸，管片壓潰區(qū)呈杠鈴形。

2）縱縫的存在削弱了其左右兩側約0.33 m范圍內管片的剛度；管片接縫處錯臺量和張開量最大值均出現(xiàn)在環(huán)縫與縱縫的交點，此處須加強防水。

3）環(huán)向螺栓軸力較縱向螺栓大。定位榫的存在對縱向螺栓中部截面角度-7.5°~7.5°區(qū)域受力狀態(tài)影響顯著，具體表現(xiàn)為軸力突然減小、剪力突然增大，且兩個縱向螺栓軸力分別在彎矩大于300 kN·m和大于600 kN·m時出現(xiàn)反向現(xiàn)象。

4）定位榫內力較螺栓小。剪力最大值出現(xiàn)在定位榫0°截面處，距離0°截面越遠剪力越小。1號定位榫在彎矩為300 kN·m時軸力和剪力達到最大，在彎矩大于600 kN·m時由受壓變?yōu)槭芾?號定位榫在整個加載過程中一直處于受壓狀態(tài)，其軸力、剪力分別在彎矩大于400 kN·m和大于600 kN·m時增長速度加快。

5）定位榫靠近荷載一側變形量大于另一側。彎矩越大，定位榫變形量越大，但定位榫不同角度變形量之間的關系基本不受彎矩變化影響。